| 浏览的探测显微镜 (SPMs)是评定表面属性的仪器。 他们包括基本强制显微镜 (AFMs)和扫描挖洞显微镜 (STMs)。 在他们的第一种应用， SPMs 主要为评定 3D 表面地势使用了，并且，虽然他们可能现在用于评定许多其他表面属性，那仍然是他们的主要应用。 SPMs 是我们的表面计量学的时刻最强大的工具，评定维数从原子间的间隔范围到一毫米的十分之一的表面功能。 所有 SPMs 有共同兴趣的主要功能是评定进行与运行锋利的探测在这个最近的域，即，浏览在表面，当维护对表面时的一个非常接近的间隔。 这些仪器，特别地 STMs，是导致基本排列的实际空间图象的第一个在平面的。 SPMs 现在是最常用的进行非常在 Ångstrom 对测微表等级的准确，三维评定。 表 1. 比较和公用显微镜的特性。 | | | | | | 景深 | 小 | 大 | 媒体 | | 景深 | 媒体 | 大 | 小 | | 解决方法： X， Y | 1.0μm | 5nm | AFM 的 2-10nm
STM 的 0.1nm | | 解决方法： Z | n/a | n/a | 0.05nm | | 有效放大 | 1X - 2x103X | 10X - 106X | 5x102X - 108X | | 范例准备需求 | 少许 | 少许对结实 | 一点或无 | | 对于范例是必需的特性 | 范例不能是完全地透明点燃使用的波长 | 表面不能加强充电，并且必须是兼容的真空 | 范例不能有在表面高度 >10 μm 上的局部变化 | *Environmental SEMs 运行在高压和低 eV，但是解决方法被牺牲。 直到 20 世纪 80 年代，研究员取决于为想象和评定表面形态学的其他仪器。 现在现有在二十年， SPMs 是最新的项到表面计量学域。 与光学显微镜和电子显微镜 (SEMs， TEMs)， SPMs 评定相对在所有三维数出现： X， Y 和 Z。 象 SEMs， SPMs 图象和评定这个范例的表面。 多数 SPMs 的 X 和 Y 地形学解决方法，包括 AFMs，是典型地 2 到 10 毫微米 (STM 解决方法可以是象 0.1nm 一样)。 Z 解决方法是关于设计好的 AFM 或 STM 的 0.1nm。 光学显微镜和 SPMs 是最容易使用，用很少或不需要的范例准备和没有真空。 光学显微镜和 SEMs 可能有更大的视野，但是 SPMs 提供最高的放大和解决方法在 3D。 此外在多数范例的仅 SPMs 工作与最小的范例准备。 简史 在 1981年扫描 (STM)挖洞显微镜是第一 SPM 技术和被识别作为有基本解决方法功能。 STM，实际上，仍然提供可用这个最佳的解决方法 (图 1)。 STM 使用在技巧和范例之间的挖洞当前对图象范例表面。 不幸地，有那些限制，最重大哪些是这个范例的表面必须是导体或半导体。 这限制可以被学习的材料。 
在白金的图 1. 显示单一原子缺陷的 STM 图象在碘被吸附物格子。 2.5nm 扫描。 在 1986年此限制导致了这个发明第一个基本强制显微镜中。 第一个商业可用的 AFM，数字仪器 NanoScope® 在 1989年介绍。 象 STM， AFM 也使用一个非常锋利的技巧探查和映射表面的形态学。 然而，在 AFM 没有需求评定在技巧和范例之间的当前。 在这种情况下，这个技巧是在有一个低弹簧常数的一个微型被制造的悬臂结束时。 在联系模式 AFM 下，第一个 AFM 技术，技巧范例强制通过维护常数和非常低偏折对负固定悬臂式，推进这个范例的技巧。 此强制可以是在固体的原子间力范围内。 其次，我们描述 AFM 基本要点，包括这个技巧的垂直运动如何被检测并且被变换成地形学数据。 基本的 AFM 要素 基本的 AFM 是相对地简单的在概念 (图 2a)。 其最接近的前辈是铁笔仿形铣床。 
图 2. (a) 简化通用 AFM 的绘制。 照片显示 (b) 多重状态的 SPM 的示例， (c) 维数 3100 SPM 和 (d) 半导体应用的充分地自动化的机器人维数 X3D 系统。 AFM 技术比铁笔仿形铣床使用更加锋利的探测和更低的强制更加高分辨率的情报，不用范例故障。 通用 AFM 包括下列要素： - 扫描系统
- 探测
- 探测运动传感器
- 管理员电子
- 噪声隔离
- 计算机
扫描系统 AFM 和显微镜的重点的最根本的要素是扫描程序。 根据单个设计，扫描程序可能浏览 (移动) 这个范例 (图 2b， MultiMode™ SPM)，如果这个范例是足够小的，或者它可能浏览在一个更大的范例 (图 2c， Dimension™的探测 3100 个 SPM)。 要完成需要的这个精确度，一个压电管扫描程序典型地用于为了提供子Ångstrom 运动控制。 探测 在这个系统的另一个关键部件是探测。 如上所述，探测可以固定式，并且这个范例可以浏览在它下或探测可以浏览在这个范例。 今天复杂的技术，技巧/组成探测的悬臂式集合 (图 3) 可以大量生产与一贯地形状，非常锋利的技巧。 这些技巧是集成到悬臂的末端，有为各种各样的应用设计的各种各样的属性。 
图 3. 一个被铭刻的单一水晶硅 AFM 技巧和技巧/悬臂式集合的 SEM 微写器 探测运动传感器 此部件感觉在探测和这个范例之间的强制并且提供更正信号给压电扫描程序 (图 2a) 的 Z 部分保留力常数。 此功能的最公用的设计称光学电子束偏转系统，最低噪声，最稳定和可用多数多才多艺的系统。 此设计使用一激光发光在和反射悬臂的返回和在一支被分割的光电二极管上上评定探测行动。 管理员电子 此部件提供连接计算机、扫描系统和探测运动传感器之间。 它提供控制压电扫描程序的电压，接受从探测运动传感器的信号并且包含保留的强制反馈控制电子在范例和技巧常数之间。 噪声隔离 要达到最高分辨率，必须与在其周围的噪声查出显微镜。 有非常查出的 AFMs 有效，简单系统从楼层振动和从音响，电子和光学噪声来源。 计算机 终于，浏览的探测显微学和 AFM 不会是可行的没有驱动这个系统和处理，要显示和分析导致的财富的强大，高速个人计算机的可用性数据。 应用/扫描技术 在其短的一生， SPM 已经添加了许多差异到根本扫描挖洞主题。 一旦 AFM 解决了严重应用限额 STM (范例传导性需求)，技术种类，并且应用范围开始采蘑菇。 虽然地形学映射仍然是对 AFM (图 4)，商业可用的 SPMs 的统治申请现在请提供某些或所有下列技术： 浏览的挖洞显微学 使用挖洞 (STM)当前的浏览的挖洞显微学评定地势在探测技巧和一个导电性范例之间出现。 
图 4. 详细地势三个缺陷 - 二伸进和消沉 - 在移相石版影印屏蔽。 横断面评定小二伸进在这个图象的飞机的 (a) ~140nm。 消沉缺陷 (b) 比 6nm 评定较少深深。 1.5μm 扫描。 联系模式 AFM 联系模式 AFM 永恒地评定与探测的地势与这个范例联系。 TappingMode AFM TappingMode AFM (给予专利) 评定地势通过轻开发与一个摆动的探测技巧的表面。 消灭剪切力 (存在联系模式下)。 TappingMode 现在是选择扫瞄方式多数申请的，特别地对象聚合物的更软的表面。 没有接触的模式 AFM 没有接触的模式 AFM 评定地势通过感觉在表面和探测之间的范 der Waals 吸引力打翻。 它比联络或 TappingMode 较不稳定的。 LiftMode LiftMode (给予专利) 是分别地评定地势和另一个所选的属性的一个二路式的技术 (磁力、电力等等) 使用地形学信息在表面上的恒定的远处跟踪探测技巧。 PhaseImaging PhaseImaging (给予专利) 映射在这个范例的局部机械或粘着性上的区别基础上的表面构成。 侧力显微学 在 (LFM)探测技巧和这个范例之间的侧力显微学映射摩擦力出现。 这个技巧可以 functionalized 与化工强制显微学的化工种类。 磁力显微学 使用 LiftMode ( (MFM)图 5)，磁力显微学映射磁力梯度和配电器在范例表面上。 
图 5. AFM (a) 和极端区域的 LiftMode MFM (b) 图象在用于 (MR)计算机硬盘驱动器的磁阻的读写头。 MFM 图象显示不能在 AFM 地势里被看见的域结构和传感器先生。 12μm 扫描。 强制模块化 强制表面功能的模块化 (给予专利) 映射相对僵硬。 电力显微学 使用 LiftMode， (EFM)电力显微学映射电场梯度和配电器在范例表面上。 表面潜在的想象 表面潜在的想象是除表面地势之外，做可计量的映射数量少数个 AFM 技术的之一。 使用 LiftMode，它映射这个范例的表面电潜在的配电器。 最近应用包括合金的腐蚀研究。 电化学 SPM 映射地形学变化原地如电化学回应同时导致电化学 SPM 在电解质解决方法上与电化学细胞潜在的控制 (即伏安法)。 可执行与 AFM 或 STM。 浏览的电化学潜在的显微学 浏览的电化学潜在的显微学 (SECPM) (给予专利) 是原地想象或潜在映射电极表面通过评定在电解质解决方法和这个范例浸没的电位差的探测或极性液体 (图 6) 之间的电位差。 
图 6. 浏览的电化学潜在的显微镜 (SECPM)。 扫描电容显微学和扫描扩展电阻显微学 扫描电容显微学 (SCM)和扫描扩展电阻显微学 (SSRM)在半导体材料的两个映射第 2 个承运人 (掺杂物) 含量配置文件。 浏览的热量显微学 浏览的热量显微学 (SThM) 映射表面温度配电器。 挖洞 AFM 和导电性 AFM 挖洞 AFM 和导电性 AFM 评定电导率的薄膜完整性的描述特性和评估的技巧范例当前。 TRmode TRmode 映射侧力和强制梯度。 与 TappingMode 的交错存取补充侧向和垂直的描述特性的 (图 7)。 
图 7. TRmode 是使用 AFM 探测的扭转力动摆的技术。 Nanoindenting Nanoindenting 评定机械性能和穿戴特性 (坚硬、黏附力，耐久性) 的薄膜、聚合物、等等 (即电介质， DLC)。 这些技术适用于大多应用程序方面，从生物到半导体，从数据存储设备到聚合物和从集成光学于强制的评定在微粒和表面之间的。 其他应用包括 MEMS 制造、油漆和涂层、金属/合金/镀层、塑料/聚合物、生物材料、生物工艺学，食物和食品包装，光学/光学影片、光学盘、陶瓷、薄膜、液晶、化妆用品和地质和环境研究。 另外， AFM 系统为高度特定应用已经被开发了，包括处理的半导体片 (图第 2) 自动化的机器人系统。 他们也开发了与为特定应用设计的分析程序例如 CD 和 DVD 爆沸/坑评定，以及极端数据存储读写头制造的后退评定。 这些应用继续扩展。 环境控制 AFM 应用在各种各样的环境里被执行。 AFMs 可以被管理在自由流通的空气，在真空和在液体 (图 8)。 生物评定在液体经常，特别是，被执行体外。 电化学实验在液体细胞执行，允许电化学过程的基本缩放比例观察。 有时，表面清洁研究在一个干燥手套盒的受控环境里完成以大气压。 
图 8. 凝聚了脱氧核糖核酸 (脱氧核糖核酸) 建议作为生物工艺学应用的一个基因交付机制。 这里，被不固定的分子是印象的在盐水。 20μm 扫描。 最近新产品包括生物和聚合物应用的加热系统至 250°C (图 9)，完全与复杂的范例和环境感觉。 系统为控制这个范例的气体环境现在也是可用的在研究 (图 10a 和 b) 下。 
图 9. 连续的阶段图象在 (a) 85ºC 和 (b) 90ºC 的多 (hexacyclodimethyl) 硅氧烷。 热化导致液体海岛的形成在无定形的聚合物 (a) 内的，转换成一些在另外的热化 (b) 的小的小点。 10μm 扫描。 
图 10a。 多重状态的 SPM 的大气敞篷允许气体想象环境的控制变化湿气或图象在惰性气体下。 
图 10b。 EnviroScope 提供高真空、热化、电化学细胞潜在的控制和被清除的气体环境。 最近技术预付款 新的硬件和软件扩大高端 SPM 系统的实用程序在评定和描述特性之外的包括 nanomanipulation 和 nanolithography。 飞机和外飞机 nanomanipulation 的示例在图 11a 和 11b 显示。 点和单击 nanolithography 的示例在图 11c 被看到。 
图 11a。 AFM 飞机 nanomanipulation 使用 AFM 探测对图象，操作再毫微米缩放比例对象 (碳 nanotubes) 和图象发现结果。 
图 11b。 AFM 外飞机 nanomanipulation 使用 AFM 探测对图象，从这个范例的飞机里面拉唯一原生质，当再评定这个分子的展开时和图象发现结果 (在这种情况下，一个分子删除从列阵)。 
图 11c。 AFM nanolithography。 新的管理员和电子 (即， NanoScope IV 和 IVa SPMs 管理员) 被设计提高性能相对传统设计。 某些新发展在 AFM 技术包括： 联合的环境控制 SPMs 环境控制的聘用组合的最新的生成，包括真空和高温 (图 12)。 
图 12。 多sbs在航空 (a) 的室温和在 180°C 在 10-5 乇压 (b)。 图象获取与 Enviroscope (图 10b)。 更高的侧向解决方法 AFM 系统现在提供更高的数据密度准许迅速移动到最好的详细资料，甚而在大扫描。 这提供要求的这个解决方法分析在作为 DVD 碰撞/挖坑和半导体的这样范例的侧壁。 它也允许 nanoscale 详细资料的观察和评定在大扫描的 -，不用需要花费重新扫描与一更小的扫描区 (图 13) 的另外的时间范例。 
图 13。 TappingMode+ 高度共聚物的图象和缩放。 这个方形图象是缩放到在原始长方形图象的装箱的区。 此详细资料通过放大显示与软件和没有对费时，重复性更小的扫描的需要。 没有此更加高分辨率的扫描，这个迅速移动的图象不会有要求的象素解决方法查看 nanoscale 详细资料。 10μm x 1.24μm 扫描和 1μm x 1μm 缩放。 “Q” - 控制 控制质量因素或者 Q，摆动的 AFM 探测允许强制的更好的控制在技巧和范例之间的并且改进评定区分例如与 PhaseImaging 和 MFM (图 14)。 
图 14。 同一区的图象在磁性带上的浏览有和没有 Q 控制。 阶段检测 MFM 图象和探测移相的平均短剖面评定接近说明 4x Q 控制图象的改进的信号噪音比。 15μm 扫描。 汇总 浏览的挖洞显微学导致了基本格子的严重的图象，并且基本强制显微学扩展了技术对绝缘的表面。 基本强制显微镜的发展允许科学家和工程师发现结构和详细资料与史无前例的解决方法和没有需要对严谨范例准备。 几预付款对各种各样的应用进一步扩大了此技术的实用程序。 TappingMode 允许软的材料想象，不用对这个范例的故障，并且 LiftMode 允许地势单独，但是同时想象和其他参数，例如磁性或电力，不用交互污染。 PhaseImaging 打开了映射的功能表面作文差异。 新的扫描和评定技术扩展了评定的范围和为各种各样的应用进一步因而增加了 AFM 的实用程序。 这些发展采取了 AFM，在一些短的岁月，从实验室求知欲到其中一表面描述特性的最强大，最灵活和用途广泛的技术。 |